Методы исследования наноматериалов и наноструктур

Атомная структура нанообъектов исследуется с использованием про­свечивающего электронного микроскопа в режиме микродифракции. Для пре­дотвращения радиационного повреждения пленок электронным пучком дифракционная картина ре­гистрируется при низкой интенсивности пучка с использованием высокочувствительной видео­камеры с зарядовой связью.

Электронная структура пленок исследуется методами фотоэлектронной спектроскопии, оже-электронной спектроскопии и спектроскопии характеристических потерь энергии электронов.

Электронная микроскопия. На рисунке 8.10 представлены типичные картины электронной дифракции от пленок углерода, осажденных на поверхность NaCl.

Рисунок 8.10 Картины электронной дифракции углеродных пленок: а – толстая пленка; б – тонкая пленка.

Оже-электронная спектроскопия является од­ним из методов исследования электронной структуры валентной зоны и химического со­става материалов. Наиболее важная информа­ция о типе химической связи между атомами углерода содержится в положении и форме CKVV-линии Оже-спектра углерода.

Рисунок 8.11 Энергитическая спектральная характеристика и Оже-спектр углеродной пленки (сплошная линия), графита (пунутир) и алмаза (штрих-пунктир)

Электронная структура графита существенно отличается от структуры одномерного углерода. Данные электронной спек­троскопии подтверждают линейно-цепочечную структуру пленок углерода.

Атомно-силовая микроскопия. Ори­ентированные пленки sp¹-углерода толщиной 4 нм изучаются с использованием атомно-силового микроскопа (АСМ). На рисунке 8.12,а показана картина, полученная с помощью АСМ в режиме измерения высоты. Хорошо видна гексагональная решетка, сформированная атомами углерода на концах цепочек, параметр гексагональной решетки a - 0,486 нм.

Рисунок 8.12 Струтура поверхности углеродной пленки, полученная с помощью АСМ

Туннельная микроскопия. Свободная пленка sp¹-углерода толщиной 27 нм помещается на пленку золота. Толщина пленки определяется в атомно-силовом микроскопе по высоте ступеньки на краю пленки В противоположность данным АСМ, изображение, полученное в СТМ, выявляет структуру, относящуюся к подложке, состоящей из островков золота.

Примеры практического применения наноматериалов в информационно-измерительной технике

Активизация работ, проводимых ведущими исследовательскими центрами в области интегра­ции сегнетоэлектрических материалов, в техноло­гию микро- и наноэлектроники, связано с необходимостью решения задач, стоящих перед промышленностью при переходе ее на новые гомологические нормы, а также с возможностью использования принципиально новых подходов при создании устройств приема, обработки и хра­нения информации.

Все более широкое применение в приборостроении, электронике находят сегнетоэлектрики, пьезо- и пироэлектрики, в связи со значительным прогрессом в области современных микро- и наноэлектронных технологий. Эти материалы особенно актуальны для современного и будущего приборостроения, основанного на микромеханике, микро- и наноэлектронике.

Среди современных применений «активных» диэлектриков следует отметить три особенно актуальных направления:

· тонкие сегнетоэлектрические пленки, интегрированные с полупроводниковыми элементами;

· микросистемы, объединяющие сенсоры, процессоры и актюаторы;

· СВЧ компоненты.

Применение пьезо- и пироэлектрических пленок стало расширяться быстрыми темпами с тех пор, когда была найдена возможность соединения активных диэлектриков в одну монолитную структуру с полупроводниковыми процессорами. Интегрированные сегнетополупроводниковые устройства представляют собой ноое направление в электронной технике. В таких системах активные диэлектрики являются важной частью многофункциональных элементов, существенно расширяющих возможности полупроводниковых процессоров. Комбинированные устройства предназначены для выполнения усилительных, генераторных, логических и исполнительных функций одновременно. Такие устройства называют микроэлектромеханическими системами (МЭМС).

МЭМС состоят из электромеханических, оптических, электрических устройств, способных получать, передавать, обрабатывать измерительную информацию, реализовывать исполнительные операции. МЭМС могут включать в себя сенсоры, микропроцессоры и актюаторы.

Активные диэлектрики имеют управляемую диэлектрическую проницаемость, обладают меньшим шумовым эффектом по сравнению с полупроводниками, способны осуществлять электромеханиеское преобразование.  

Нелинейные материалы наиболее эффективны в окрестностях структурных преобразований, так как вблизи таких переходов устойчивое равновесие может быть нарушено воздействием внешних полей.    

В настоящее время созданы и активно разви­ваются различные виды устройств, использующих нелинейные свойства сегнетоэлектрических мате­риалов. Возможность переключения вектора спон­танной поляризации внешним электрическим по­лем применяется для создания энергонезависимых, высокоскоростных сегнетоэлектрических ЗУ (СЗУ).

Высокая диэлектрическая прони­цаемость сегнетоэлектриков позволяет рассматри­вать их в качестве основного кандидата для реше­ния проблемы создания материалов с вы­сокой диэлектрической проницаемостью. Прежде всего для создания конденса­торных элементов запоминающих уст­ройств с произвольной выборкой (ЗУПВ) и СВЧ ИС с вы­сокой удельной емкостью при минимальных топо­логических размерах, а также подзатворных транзисторных элементов ИС.

Пиро- и пьезоэлектрическая активность сег­нетоэлектриков используется в различных конструкциях мик­роэлектромеханических систем, в том числе неохлаждаемых матричных приемников ИК-излучения. Возможность изменения емкости внешним полем и малые потери на высоких частотах актуальна при конструировании такх СВЧ устройств, как, например, фазовращательных элементов антенн с электронным сканированием.

Нелинейные опти­ческие свойства сегнетоэлектриков вызывают ин­терес для разработки электрооптических устройств обработки и записи информации. Одной из важнейших задач в данном направ­лении, является разработка перепрограммируемых сегнетоэлектрических запоминающих устройств (СЗУ), обладающих высокими характеристиками по временам записи/выборки. Ввремя переключения поляризации сегнетоэлектрика составляет менее 2 нс,. Такие устройства обеспечиваю­т энергонезависимое хранение информации с практически неограниченным числом циклов пе­резаписи (10¹²-10¹⁴) и возможность функциониро­вания в экстремальных условиях.

 

Контрольные вопросы к главе 8

1. Что является признаком принадлежности материалов и технологий к наномиру?

2. Какие в настоящее время известны упорядоченные углеродные наноструктуры?

3. Укажите перспективные области практического использования упорядоченных углеродных наноструктур. 

4. Дайте характеристику основным принципам построения биодатчиков.

5. Какие существуют особенности развития биотехнологий?

6. Объясните физическую природу электронного транспорта в белках.

⇐ Предыдущая29303132333435363738Следующая ⇒

Поделиться: